基于單片機(jī)的無(wú)線充電自啟動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魏文強(qiáng)，莊曉東

（青島大學(xué)電子信息學(xué)院，山東 青島 266071）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)科技的發(fā)展，電子產(chǎn)品在人們的生活中越來(lái)越普及。目前電子產(chǎn)品的充電方式分為有線充電和無(wú)線充電，有線充電存在充電設(shè)備易磨損、易產(chǎn)生火花等問(wèn)題。而無(wú)線充電可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)充電靈活性高、能夠減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊穩(wěn)定性高[1]，并且無(wú)線充電還解決了有線充電在安全維護(hù)方面的問(wèn)題[2]。同時(shí)，一個(gè)無(wú)線充電裝置可以對(duì)接多個(gè)用電裝置，實(shí)現(xiàn)了充電設(shè)施的兼容性，省去了多個(gè)充電設(shè)備的成本。2007年麻省理工大學(xué)Marin Soljacic教授提出電磁諧振式無(wú)線充電的工作方式，在保證相對(duì)較高的傳輸效率的條件下實(shí)現(xiàn)了了長(zhǎng)距離傳輸[3-4]，無(wú)線充電技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展。

DC-DC轉(zhuǎn)換電路的性能直接影響電子產(chǎn)品的運(yùn)行效率[5]。如今DC-DC（直流-直流轉(zhuǎn)換器）廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程及數(shù)據(jù)通訊、計(jì)算機(jī)、辦公自動(dòng)化設(shè)備、工業(yè)儀器儀表、軍事、航天等領(lǐng)域，涉及到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)。隨著我國(guó)電子產(chǎn)品的普及，對(duì)電源需求量增長(zhǎng)的同時(shí)對(duì)其轉(zhuǎn)換質(zhì)量要求也越來(lái)越高，隨著IC芯片集成度不斷提高，要求DC-DC轉(zhuǎn)換電路必須實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓小波紋功能[6]，而傳統(tǒng)的DC-DC變換器電能轉(zhuǎn)換率不高而且體積大，極其不適用于小電路系統(tǒng)。

本文運(yùn)用案例分析法[7]，以電動(dòng)小車(chē)為例，通過(guò)充電一分鐘，研究了無(wú)線充電自啟動(dòng)系統(tǒng)的充電效率、DC-DC轉(zhuǎn)換效率、輸出電壓的穩(wěn)定性以及自啟動(dòng)功能，實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)在保證系統(tǒng)低功耗、輸出電壓穩(wěn)定的情況下實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自啟動(dòng)功能。

1 系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)由無(wú)線充電發(fā)射端和無(wú)線充電接收端兩部分組成。無(wú)線充電發(fā)射端由直流穩(wěn)壓電源提供5V/1A電源為XKT412無(wú)線充電模塊發(fā)射線圈及MSP430F5529單片機(jī)供電，通過(guò)MSP430F5529單片機(jī)定時(shí)來(lái)控制繼電器的通斷實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電發(fā)射端的通電與斷電。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 無(wú)線充電發(fā)射端系統(tǒng)框圖Fig.1 Wireless charging transmitter system block diagram

本系統(tǒng)將超級(jí)電容作為儲(chǔ)能系統(tǒng)，無(wú)線充電接收端通過(guò)XKT412無(wú)線充電模塊接收線圈為超級(jí)電容充電，當(dāng)超級(jí)電容的電壓達(dá)到TPS63020的工作電壓1.8V時(shí)，超級(jí)電容的電能通過(guò)DC-DC轉(zhuǎn)換電路穩(wěn)定輸出5V電壓為MSP430F5529單片機(jī)及系統(tǒng)供電，單片機(jī)開(kāi)始正常工作并持續(xù)對(duì)無(wú)線充電接收線圈進(jìn)行AD采樣，當(dāng)采樣電壓為0即判斷為充電完成，單片機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)工作。無(wú)線充電接收端系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 無(wú)線充電接收端系統(tǒng)框圖Fig.2 Wireless charging receiver system block diagram

2 元器件選型及電路設(shè)計(jì)

2.1 XKT412無(wú)線充電模塊

2.1.1 XKT412無(wú)線充電模塊的優(yōu)點(diǎn)

為在單位時(shí)間內(nèi)獲取盡可能多的電能，必須要求無(wú)線充電模塊具有大電流、電能利用率高的特點(diǎn)。XKT412無(wú)線充電模塊電路簡(jiǎn)單，在5V/1A的電源下可以獲取的最大充電電流＞0.85A,電能利用率極高。

2.1.2 充電線圈與接收線圈間隔選擇

當(dāng)提供5V/1A的電源時(shí)，通過(guò)改變充電線圈與接收線圈的間隔，測(cè)得電容兩端電壓U＜0.9Vcc時(shí)的充電電流的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 充電線圈的電能利用效率與線圈間隔的關(guān)系Table 1 Relationship between power utilization efficiency of charging coil and coil spacing

通過(guò)測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，當(dāng)充電線圈和接收線圈間隔為2-3 mm時(shí)，XKT412無(wú)線充電模塊的電能利用率可到＞85%以上，電能利用率極高。

2.2 超級(jí)電容型號(hào)的選擇

2.2.1 級(jí)電容的擊穿電壓選擇

由于電源電壓為5V，為防止電容充電時(shí)擊穿電容，本系統(tǒng)選擇擊穿電壓為5V的超級(jí)電容來(lái)儲(chǔ)存電能。

2.2.2 超級(jí)電容容量的選擇

根據(jù)電容充放電公式[8]：

當(dāng)電容電壓U=0.9Vcc時(shí)，t=ln10RC≈2.3RC。經(jīng)過(guò)測(cè)量，無(wú)線充電接收端電路電阻R≈2.5Ω，為研究1分鐘系統(tǒng)的充電效果，本系統(tǒng)選擇容量為10F的超級(jí)電容，即在t≈57.5s時(shí)電容可充電至4.5V。

2.3 DC-DC芯片選型及電路設(shè)計(jì)

2.3.1 DC-DC轉(zhuǎn)換電路芯片選型

為了充分利用電能，DC-DC轉(zhuǎn)換電路必須具有高效率低功耗的特點(diǎn)。

方案一：采用LM2596S實(shí)現(xiàn)電壓變換。但是該模塊效率太低，發(fā)熱量大不適用于低功耗系統(tǒng)，且不可進(jìn)行升壓調(diào)控。

方案二：采用XL6009搭建升降壓模塊，該模塊性能高，低波紋。但頻率太低，抗干擾性能差。

方案三：采用TI公司的TPS63020芯片設(shè)計(jì)DC-DC轉(zhuǎn)換電路。TPS63020芯片效率高達(dá)96%，自動(dòng)轉(zhuǎn)換升降壓模式，輸入電壓范圍寬（1.8-5.5V），輸出電壓在1.2～5.5V范圍內(nèi)可調(diào)，靜態(tài)電流小，具有過(guò)溫、過(guò)電壓保護(hù)等優(yōu)勢(shì)[9]。TPS63020引腳圖如圖3所示。

圖3 TPS63020引腳圖Fig.3 TPS63020 pin diagram

考慮到實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)壓高效率輸出以及低功耗問(wèn)題，綜合以上三種方案，選擇方案三。

2.3.2 DC-DC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

DC-DC轉(zhuǎn)換電路參考TI公司的TPS63020EVM，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，電感改用屏蔽電感來(lái)減小電路的干擾，并且在布局上進(jìn)行調(diào)整來(lái)減小電路的干擾。

調(diào)節(jié)反饋端口FB兩端電阻的比值改變輸出電壓，根據(jù)TPS63020數(shù)據(jù)手冊(cè)

圖4 DC-DC轉(zhuǎn)換電路原理圖Fig.4 DC-DC conversion circuit schematic

圖5 DC-DC轉(zhuǎn)換電路PCB元件布局圖Fig.5 DC-DC converter circuit PCB component layout

通過(guò)示波器測(cè)量輸出電壓，輸出電壓波紋小于76mV。

2.4 單片機(jī)的選型

方案一：采用通用的51系列單片機(jī)，運(yùn)用廣泛，使用方便，但其功耗大，許多協(xié)議不支持，當(dāng)配合LCD1602液晶屏使用時(shí)電路變得復(fù)雜[10]，使系統(tǒng)整體性能降低。

方案二：采用STM32為主控制器，STM32一次處理數(shù)據(jù)寬度32位，主頻高，運(yùn)算能力強(qiáng)大，外設(shè)豐富，但功耗太大，大大降低了系統(tǒng)的整體性能。

方案三：MSP430F5529單片機(jī)為16位超低功耗微控制器，具有128KB閃存，8KB SRAM，63個(gè)可編程I/O口線，4個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，豐富的中斷源等[11]，具有廣泛的低功耗模式組合，適合應(yīng)用于使用電池供電的產(chǎn)品中[12]，且其為精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，功能強(qiáng)大,片內(nèi)資源豐富，運(yùn)行速度快，而且該單片機(jī)體積小，重量輕，針對(duì)本低功耗系統(tǒng)有明顯的優(yōu)勢(shì)。

基于數(shù)據(jù)處理能力、超低功耗方面考慮，為實(shí)現(xiàn)高性能的低功耗的控制，本系統(tǒng)使用MSP430F5529單片機(jī)作為主控制器。

3 自啟動(dòng)原理

3.1 件電路設(shè)計(jì)

為防止AD采樣電壓為電容兩端電壓造成無(wú)法判斷是否充電完成，本系統(tǒng)采用二極管將XKT412無(wú)線充電接收線圈和超級(jí)電容“隔斷”，對(duì)XKT412無(wú)線充電模塊接收線圈一側(cè)進(jìn)行AD采樣，為防止AD采樣電壓擊穿單片機(jī)，本系統(tǒng)采用兩個(gè)1KΩ電阻進(jìn)行分壓采樣，當(dāng)XKT412無(wú)線充電模塊發(fā)射線圈斷電時(shí)，采樣電壓為0，此時(shí)單片機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)。采樣原理如圖6所示。

圖6 采樣原理圖Fig.6 Sampling schematic

3.2 軟件程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)供電后持續(xù)對(duì)XKT412無(wú)線充電線圈接收線圈一側(cè)進(jìn)行電壓采樣，為防止采樣失誤，如果有連續(xù)5次采樣電壓都為0，就判斷為系統(tǒng)已停止充電，單片機(jī)停止采樣啟動(dòng)系統(tǒng)并進(jìn)入低功耗狀態(tài)。程序框圖如圖7所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試

本系統(tǒng)通過(guò)給電動(dòng)小車(chē)充電1分鐘進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。將無(wú)線充電接收線圈安裝在電動(dòng)小車(chē)上并與無(wú)線充電發(fā)射線圈間隔2.5mm。給無(wú)線充電發(fā)射端供5V/1A電源，無(wú)線充電發(fā)射端的單片機(jī)開(kāi)始定時(shí)并驅(qū)動(dòng)繼電器通電給無(wú)線充電發(fā)射線圈供電。無(wú)線充電接收線圈開(kāi)始給超級(jí)電容充電，當(dāng)電容兩端電壓達(dá)到1.8V時(shí)，DC-DC轉(zhuǎn)換電路穩(wěn)定輸出5V電壓且波紋小于76mV，無(wú)線充電接收端單片機(jī)開(kāi)始工作。當(dāng)計(jì)時(shí)1分鐘結(jié)束后無(wú)線充電發(fā)射端單片機(jī)驅(qū)動(dòng)繼電器斷電，無(wú)線充電接收端單片機(jī)檢測(cè)到充電結(jié)束并驅(qū)動(dòng)小車(chē)行駛。小車(chē)可在平坦路面直線行駛13m以上，在傾斜角為43°的斜坡上可直線行駛2.5m以上。

圖7 程序框圖Fig.7 Block diagram

5 結(jié)論

無(wú)線充電自啟動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)5V/1A電源為XKT412無(wú)線充電模塊供電，無(wú)線充電發(fā)射線圈與無(wú)線充電接收線圈間隔2-3mm為超級(jí)電容充電，當(dāng)超級(jí)電容兩端電壓U＜0.9Vcc時(shí)，無(wú)線充電模塊可獲得的充電電流＞0.85A,即電能利用率＞85%。超級(jí)電容通過(guò)DC-DC轉(zhuǎn)換電路放電穩(wěn)定輸出5V電壓，且輸出電壓波紋＜76mV。本系統(tǒng)通過(guò)MSP430F5529低功耗單片機(jī)作為系統(tǒng)控制芯片并且采用TPS63020芯片設(shè)計(jì)DC-DC轉(zhuǎn)換電路，可以有效地減少系統(tǒng)電路的功耗。無(wú)線充電自啟動(dòng)系統(tǒng)可以提高充電靈活性、減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊、減小對(duì)充電設(shè)備的磨損并且不易產(chǎn)生火花造成危險(xiǎn)。系統(tǒng)輸出電壓的穩(wěn)定性保證了對(duì)電子產(chǎn)品控制的穩(wěn)定性并且提高電子產(chǎn)品的使用壽命。如果將來(lái)把該系統(tǒng)應(yīng)用到掃地機(jī)器人等電子產(chǎn)品中，將進(jìn)一步提升該類(lèi)電子產(chǎn)品充電設(shè)備的使用壽命，尤其是自啟動(dòng)功能將整體提升產(chǎn)品性能。